DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-025-02765-7
تاريخ النشر: 2026-01-20
المؤلف: Alfred Thomas Hopkinson وآخرون
الموضوع الرئيسي: أصول وتطور الحياة
نظرة عامة
تتناول الأبحاث أصول اللبنات الجزيئية الأساسية للحياة، مع التركيز بشكل خاص على تشكيل الببتيدات في البيئات خارج الأرض. بينما تم العثور على بعض الأحماض الأمينية α، مثل الجلايسين، في النيازك، لم يتم إثبات تخليق الببتيدات تحت الظروف الفلكية بشكل واضح. تُظهر هذه الدراسة أن الببتيدات يمكن أن تتشكل في نظائر الجليد بين النجوم المعرضة للإشعاع المؤين، حتى في غياب الماء السائل.
باستخدام الجلايسين الموسوم نظائريًا والذي تم تعريضه للبروتونات عند درجات حرارة منخفضة، نجح الباحثون في تخليق الجلايسيل الجلايسين، وهو أبسط ثنائي ببتيد، إلى جانب الماء المؤين وغير المؤين كمنتجات ثانوية. تم تأكيد تشكيل روابط الببتيد من خلال مطيافية الأشعة تحت الحمراء ومطيافية الكتلة عالية الدقة، التي حددت أيضًا مركبات عضوية معقدة أخرى. تشير هذه النتائج إلى وجود مسار غير مائي قابل للتطبيق لتخليق الببتيدات في ظروف شبيهة بالفضاء، مما يدل على أن مثل هذه الجزيئات قد تنشأ في الوسط بين النجمي البارد وتندمج في أنظمة كوكبية قيد التطور. تتحدى هذه الأبحاث النماذج التقليدية التي تركز على الماء لتطور الكيمياء الحيوية وتوسع البيئات الممكنة لظهور الحياة.
مقدمة
يرتبط ظهور الحياة على الأرض ارتباطًا وثيقًا بوجود جزيئات ما قبل الحياة في النظام الشمسي المبكر، ومع ذلك لا تزال أصول وتطور هذه المركبات غير مستكشفة إلى حد كبير. من الجدير بالذكر أن الأحماض الأمينية α، مثل الجلايسين ($\text{NH}_2\text{CH}_2\text{COOH}$)، تم تحديدها في النيازك والمذنبات، مما يشير إلى أن الجزيئات ذات الصلة بيولوجيًا قد تتشكل في الفضاء قبل الوصول إلى أسطح الكواكب. تشير التجارب المعملية إلى أن الجلايسين يمكن أن يتم تخليقه من خلال عمليات غير طاقية في نظائر الجليد الفلكية، مما يبرز مسارات التكوين المحتملة في السحب الجزيئية الكثيفة. ومع ذلك، فإن التطور الكيميائي للجلايسين تحت ظروف فلكية طاقية، بما في ذلك التحلل الضوئي للأشعة فوق البنفسجية وإشعاع الأشعة الكونية، وخاصة فيما يتعلق بتشكيل الأنواع المرتبطة بروابط الببتيد، ليس مفهوماً جيدًا.
تعتبر الببتيدات البيولوجية، التي هي سلاسل من الأحماض الأمينية α، ضرورية لوظائف بيولوجية متنوعة، بما في ذلك التحفيز وتشكيل الأغشية. بينما أظهرت الأبحاث السابقة أن المعالجة الطاقية لنظائر الجليد بين النجوم يمكن أن تؤدي إلى إنتاج جزيئات عضوية معقدة، بما في ذلك الأحماض الأمينية، فإن اكتشاف الجلايسيل الجلايسين ($\text{NH}_2\text{CH}_2\text{CONHCH}_2\text{COOH}$)، وهو أبسط ثنائي ببتيد، تحت هذه الظروف لا يزال يمثل تحديًا. اقترحت دراسة حديثة مسارًا غير طاقي لتشكيل الببتيدات من خلال بلمرة الأمين كيتين ($\text{NH}_2\text{CHCO}$) تحت ظروف ذات صلة فلكية، مما يشير إلى آلية جديدة لتخليق روابط الببتيد التي قد تحدث خلال المراحل المبكرة من تشكيل النجوم، على الرغم من التوفر المحدود للكربون الذري في السحب الجزيئية الكثيفة.
طرق البحث
استخدمت الأبحاث نهجًا مزدوجًا يتضمن كل من المنهجيات التجريبية في الموقع وخارج الموقع. تم إجراء التجارب في الموقع في معهد HUN-REN للبحوث النووية (Atomki) في ديبريسين، المجر، باستخدام محطتين نهائيتين ذات فراغ فائق (UHV) مرتبطتين بمصادر أيونية متميزة. سهل هذا الإعداد التحكم الدقيق وقياس الظروف التجريبية. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء تحليلات بعد الإشعاع خارج الموقع باستخدام مطيافية الكتلة بتقنية التأين بالرش الكهربائي (ESI-MS) في قسم البيولوجيا الجزيئية وعلم الوراثة في جامعة آرهوس في الدنمارك، مما سمح بتوصيف مفصل للعينات بعد الإشعاع. مكنت هذه المجموعة من المنهجيات من تحقيق تحقيق شامل للظواهر قيد الدراسة.
مناقشة
في هذا القسم، تناقش الأبحاث تشكيل الببتيدات من خلال المعالجة الطاقية للجلايسين في البيئات بين النجوم، خاصة خلال المراحل المتقدمة من تطور النجوم. تسلط الدراسة الضوء على أن تعريض الجلايسين للإشعاع الأيوني يمكن أن يؤدي إلى تخليق الجلايسيل الجلايسين، وهو أبسط ثنائي ببتيد، إلى جانب إنتاج الماء (H₂O) والماء المؤين (D₂O). استخدمت التجارب جليد الجلايسين الموسوم نظائريًا المعرض للبروتونات لمحاكاة تأثيرات الأشعة الكونية، كاشفة عن آلية تشكيل الببتيد في الطور الصلب التي تحدث تحت ظروف غير مائية. توسع هذه النتيجة البيئات المحتملة للأبيوجينيس، مما يشير إلى أن سوابق الحياة الكيميائية قد تنشأ من مصادر خارج الأرض.
تشير النتائج إلى أن تشكيل H₂O وD₂O يتأثر بالتكوين النظائري للجلايسين، مع تحديد مسارات تفاعل متميزة لكل منهما. كما تفيد الدراسة بالكشف عن نطاقات الأميد التي تشير إلى تشكيل روابط الببتيد، مدعومة بمطيافية الأشعة تحت الحمراء وتحليلات مطيافية الكتلة. من الجدير بالذكر أن وجود N-formylglycinamide، وهو مركب ذي صلة بيولوجيًا، يبرز تعقيد التخليق الجزيئي الممكن تحت الظروف الفلكية. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن المعالجة الطاقية للأحماض الأمينية في الفضاء قد تؤدي إلى ظهور جزيئات ما قبل الحياة، مما يسهل تطور الجزيئات المبكر على الأرض.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-025-02765-7
Publication Date: 2026-01-20
Author(s): Alfred Thomas Hopkinson et al.
Primary Topic: Origins and Evolution of Life
Overview
The research addresses the origins of molecular building blocks essential for life, particularly focusing on the formation of peptides in extraterrestrial environments. While some α-amino acids, like glycine, have been found in meteorites, the synthesis of peptides under astrophysical conditions has not been clearly established. This study demonstrates that peptides can form in interstellar ice analogues subjected to ionizing radiation, even in the absence of liquid water.
Using isotopically labeled glycine irradiated with protons at cryogenic temperatures, the researchers successfully synthesized glycylglycine, the simplest dipeptide, alongside deuterated and nondeuterated water as by-products. The formation of peptide bonds was confirmed through infrared spectroscopy and high-resolution mass spectrometry, which also identified other complex organic compounds. These findings suggest a viable non-aqueous pathway for peptide synthesis in space-like conditions, indicating that such molecules could potentially arise in the cold interstellar medium and be integrated into developing planetary systems. This research challenges traditional aqueous-centric models of biochemical evolution and expands the possible environments for the emergence of life.
Introduction
The emergence of life on Earth is closely associated with the presence of prebiotic molecules in the early solar system, yet the origins and evolution of these compounds remain largely unexplored. Notably, α-amino acids, such as glycine ($\text{NH}_2\text{CH}_2\text{COOH}$), have been identified in meteorites and comets, indicating that biologically relevant molecules may form in space before reaching planetary surfaces. Laboratory experiments suggest that glycine can be synthesized through nonenergetic processes in astrophysical ice analogues, highlighting potential formation pathways in dense molecular clouds. However, the chemical evolution of glycine under energetic astrophysical conditions, including UV photolysis and cosmic ray irradiation, particularly regarding the formation of peptide-bonded species, is not well understood.
Biological peptides, which are chains of α-amino acids, are crucial for various biological functions, including catalysis and membrane formation. While previous research has demonstrated that energetic processing of interstellar ice analogues can yield complex organic molecules, including amino acids, the detection of glycylglycine ($\text{NH}_2\text{CH}_2\text{CONHCH}_2\text{COOH}$), the simplest dipeptide, under these conditions remains challenging. A recent study has proposed a nonenergetic pathway for peptide formation through the polymerization of aminoketene ($\text{NH}_2\text{CHCO}$) under astrophysically relevant conditions, suggesting a novel mechanism for peptide bond synthesis that may occur during the early stages of star formation, despite the limited availability of atomic carbon in dense molecular clouds.
Methods
The research employed a dual approach involving both in situ and ex situ experimental methodologies. In situ experiments were conducted at the HUN-REN Institute for Nuclear Research (Atomki) in Debrecen, Hungary, utilizing two ultra-high vacuum (UHV) end stations linked to distinct ion sources. This setup facilitated precise control and measurement of the experimental conditions. Complementarily, ex situ post-irradiation analyses were performed using electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS) at the Department of Molecular Biology and Genetics at Aarhus University in Denmark, allowing for detailed characterization of the samples following irradiation. This combination of methodologies enabled a comprehensive investigation of the phenomena under study.
Discussion
In this section, the research discusses the formation of peptides through energetic processing of glycine in interstellar environments, particularly during advanced stages of stellar evolution. The study highlights that ion irradiation of glycine can lead to the synthesis of glycylglycine, the simplest dipeptide, alongside the production of water (H₂O) and deuterated water (D₂O). The experiments utilized isotopically labeled glycine ices subjected to proton irradiation to simulate cosmic ray effects, revealing a solid-phase peptide formation mechanism that occurs under non-aqueous conditions. This finding expands the potential environments for abiogenesis, suggesting that life’s chemical precursors may originate from extraterrestrial sources.
The results indicate that the formation of H₂O and D₂O is influenced by the isotopic composition of glycine, with distinct reaction pathways identified for each. The study also reports the detection of amide bands indicative of peptide bond formation, supported by infrared spectroscopy and mass spectrometry analyses. Notably, the presence of N-formylglycinamide, a biologically relevant compound, underscores the complexity of molecular synthesis possible under astrophysical conditions. Overall, the findings suggest that energetic processing of amino acids in space could lead to the emergence of prebiotic molecules, potentially facilitating early molecular evolution on Earth.